JP2013545260A - Focused solar induction module - Google Patents
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Abstract
集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える。レンズアレイプレートは、少なくとも1つのレンズを備える。太陽光線を受光し、集束する各レンズは、上方湾曲面および下方平坦面を有する。光誘導プレートは、レンズアレイプレートの下方平坦面および下方微細構造面に平行な上方平坦面を有する。下方微細構造面は、少なくとも1つの凹領域および光誘導プレートの上方平坦面に平行な少なくとも1つの接続領域を備える。接続領域は、凹点、第1の傾斜平面および第2の傾斜平面を有する隣接する凹領域の間に接続される。第1の傾斜平面および第2の傾斜平面は、凹点と隣接する接続領域との間にそれぞれ接続される。
【選択図】図1AThe focused solar light induction module includes a lens array plate and a light guide plate. The lens array plate includes at least one lens. Each lens that receives and focuses sunlight has an upper curved surface and a lower flat surface. The light guide plate has a lower flat surface of the lens array plate and an upper flat surface parallel to the lower microstructure surface. The lower microstructured surface comprises at least one concave region and at least one connection region parallel to the upper flat surface of the light guide plate. The connecting region is connected between adjacent concave regions having a concave point, a first inclined plane and a second inclined plane. The first inclined plane and the second inclined plane are respectively connected between the concave point and the adjacent connection region.
[Selection] Figure 1A
Description
本発明は、集束太陽光誘導モジュールに関し、特に、微細構造設計の光誘導プレートを備える集束太陽光誘導モジュールに関する。 The present invention relates to a focused solar light induction module, and more particularly, to a focused solar light induction module including a microstructured light guide plate.
産業の急速な発展に伴い、化石燃料が徐々に枯渇し、温室効果ガスを排出している問題が世界中でますます憂慮されており、安定したエネルギー資源の供給が明らかに世界規模の主要課題になっている。従来の石炭火力発電、ガス火力発電、または原子力発電と比較して、太陽電池は、光電変換または熱電変換効果により、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、二酸化炭素、窒素酸化物、および硫黄酸化物などの温室効果ガスまたは汚染ガスを産出することがないため、化石燃料への依存を軽減し、安全かつ独立した電力源を供給する。 With the rapid development of the industry, the issue of fossil fuel depletion and greenhouse gas emissions is increasingly concerned all over the world, and the stable supply of energy resources is clearly a major global issue It has become. Compared with conventional coal-fired power generation, gas-fired power generation, or nuclear power generation, solar cells convert solar energy directly into electrical energy by the photoelectric conversion or thermoelectric conversion effect, and carbon dioxide, nitrogen oxide, and sulfur oxidation Reduces dependence on fossil fuels and provides a safe and independent power source because it does not produce greenhouse gases or pollutant gases.
多くの太陽電池技術においては、太陽電池材料によって変換される太陽放射光が、使用に便利な電力源になっている。結晶シリコン太陽電池を例に挙げると、結晶シリコン太陽電池は、光電変換効率が12%から20%であり、異なる結晶材料を用いて設計された太陽電池は、光電特性が異なる。一般に、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の変換効率は、約14%または16%であるため、寿命は長くなるが、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の発電コストは高い。したがって、政府の助成金が必要であり、この種の太陽電池は、発電所または交通信号灯の信号にしか適用できない。 In many solar cell technologies, solar radiation converted by the solar cell material has become a convenient power source for use. Taking a crystalline silicon solar cell as an example, a crystalline silicon solar cell has a photoelectric conversion efficiency of 12% to 20%, and a solar cell designed using different crystalline materials has different photoelectric characteristics. In general, since the conversion efficiency of a single crystal silicon or polycrystalline solar cell is about 14% or 16%, the lifetime is increased, but the power generation cost of the single crystal silicon or polycrystalline solar cell is high. Therefore, government subsidies are required and this type of solar cell can only be applied to power plant or traffic light signals.
その上、上記のシリコン材料のほか、太陽電池はさらに、例えば、インジウムガリウムヒ素(InGaAs)およびガリウムヒ素(GaAs)のようなIII−V族化合物半導体材料など、他の材料から作製することができる。結晶シリコンを用いた太陽エネルギー技術とは異なり、III−V族化合物半導体材料でできた太陽電池は、より広い太陽スペクトルのエネルギーを吸収できるため、最大でほぼ60%から70%を上回るほどの最も高い光電変換効率を達成する。 In addition to the silicon materials described above, solar cells can also be made from other materials such as, for example, III-V compound semiconductor materials such as indium gallium arsenide (InGaAs) and gallium arsenide (GaAs). . Unlike solar energy technology using crystalline silicon, solar cells made of III-V compound semiconductor materials can absorb a wider solar spectrum energy, so that the maximum is almost 60% to over 70%. Achieve high photoelectric conversion efficiency.
しかしながら、III−V族化合物半導体材料でできた太陽電池の製造コストおよび価格も、全種類の太陽電池の中で最も高い。そのため、太陽電池の使用を減らして発電コストを削減するために、太陽光集光装置を具備して光吸収領域を縮小している。しかしながら、そのコストは、太陽光集光装置が広い領域に設置するように求められる場合にしか相殺されず、これによって適用に不便が生じ、太陽電池の適用が制限されている。そのため、太陽電池の発電コストをいかに効果的に削減するかが、実際に現時点で当業者が切に解決を迫られている1つの主要課題である。 However, the manufacturing cost and price of solar cells made of III-V compound semiconductor materials are also the highest among all types of solar cells. Therefore, in order to reduce the use of solar cells and reduce the power generation cost, the solar light collecting device is provided to reduce the light absorption region. However, the cost is offset only when the solar concentrator is required to be installed in a large area, which causes inconvenience in application and limits the application of solar cells. Therefore, how to effectively reduce the power generation cost of the solar cell is one of the main issues that are actually being urgently solved by those skilled in the art.
本開示は、上記の問題を解決し、太陽電池の発電コストを削減するのに適した、集束太陽光誘導モジュールを提供する。 The present disclosure provides a focused solar light induction module suitable for solving the above problems and reducing the power generation cost of a solar cell.
本開示は、太陽光線をエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。 The present disclosure relates to a focused solar light induction module suitable for directing solar radiation to an energy conversion device.
集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える。レンズアレイプレートは、少なくとも1つのレンズを備え、各レンズは、上方湾曲面および下方平坦面を有する。レンズアレイプレートは、太陽光線を受光し、集束する。光誘導プレートは、上方平坦面および下方微細構造面を有する。光誘導プレートの上方平坦面は、レンズアレイプレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートの下方微細構造面は、少なくとも1つの凹領域および少なくとも1つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの上方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第1の傾斜平面、および第2の傾斜平面を備える。第1の傾斜平面および第2の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートによって集束されたのち、太陽光線は、凹領域および接続領域に続けて2回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導される。太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも1つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。 The focused solar light induction module includes a lens array plate and a light guide plate. The lens array plate comprises at least one lens, each lens having an upper curved surface and a lower flat surface. The lens array plate receives sunlight and focuses it. The light guide plate has an upper flat surface and a lower microstructured surface. The upper flat surface of the light guide plate is configured to be parallel to the lower flat surface of the lens array plate. The lower microstructured surface of the light guide plate comprises at least one concave area and at least one connection area. The connection region is parallel to the upper flat surface of the light guide plate and is connected between adjacent concave regions. The recessed area includes a recessed point, a first inclined plane, and a second inclined plane. The first inclined plane and the second inclined plane are located on different sides of the concave point, and are connected between the concave point and the adjacent connection region. After being focused by the lens array plate, the sunlight is reflected twice following the concave and connected areas and is guided into the light guide plate by total internal reflection. Sun rays pass through at least one side of the light guide plate. The energy conversion device is disposed in contact with or near the side surface of the light guide plate, receives sunlight rays passing through the side surface of the light guide plate, and converts the sunlight rays into electric power.
本開示は、さらに、太陽光線を別の方法でエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。 The present disclosure further relates to a focused solar light induction module suitable for directing solar radiation to an energy conversion device in another way.
集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレートおよびレンズアレイプレートを備える。光誘導プレートは、上方微細構造面および下方平坦面を有する。上方微細構造面は、少なくとも1つの凹領域および少なくとも1つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの下方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第1の傾斜平面、および第2の傾斜平面を備える。第1の傾斜平面および第2の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートは、少なくとも1つのレンズを備え、各レンズは、上方平坦面および下方湾曲面を有する。レンズの上方平坦面は、光誘導プレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートを通過し、下方湾曲面で反射した後、太陽光線は、光誘導プレートの上方微細構造面の凹領域および接続領域に続けて2回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導され、太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも1つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。 The focused solar light induction module includes a light guide plate and a lens array plate. The light guide plate has an upper microstructured surface and a lower flat surface. The upper microstructured surface comprises at least one concave area and at least one connection area. The connection region is parallel to the lower flat surface of the light guide plate and is connected between adjacent concave regions. The recessed area includes a recessed point, a first inclined plane, and a second inclined plane. The first inclined plane and the second inclined plane are located on different sides of the concave point, and are connected between the concave point and the adjacent connection region. The lens array plate includes at least one lens, and each lens has an upper flat surface and a lower curved surface. The upper flat surface of the lens is configured to be parallel to the lower flat surface of the light guide plate. After passing through the light guide plate and reflected by the downward curved surface, the sunlight is reflected twice in succession to the concave area and the connection area of the upper fine structure surface of the light guide plate, and is totally reflected by the internal reflection. Sun rays pass through at least one side of the light guide plate. The energy conversion device is disposed in contact with or near the side surface of the light guide plate, receives sunlight rays passing through the side surface of the light guide plate, and converts the sunlight rays into electric power.
本開示は、例示のみを目的としているため本開示を限定しない以下に記載した詳細説明から、さらに完全に理解されるであろう。 The present disclosure will be more fully understood from the following detailed description, which is intended to be exemplary only and does not limit the present disclosure.
以下の詳細説明では、説明目的で、開示した実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細事項を記載している。しかしながら、これらの特定の詳細事項がなくとも1つ以上の実施形態を実施できることは明らかであろう。このほか、図面を簡易化するために、公知の構造および装置を概略的に示している。 In the following detailed description, for the purposes of explanation, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the disclosed embodiments. However, it will be apparent that one or more embodiments may be practiced without these specific details. In addition, in order to simplify the drawings, known structures and apparatuses are schematically shown.
図1Aは、第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図1Bは、図1Aの側面図である。図1Cは、図1Bの部分拡大図である。以下の説明には、図1Aから図1Cを参照されたい。 FIG. 1A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a first embodiment. FIG. 1B is a side view of FIG. 1A. FIG. 1C is a partially enlarged view of FIG. 1B. Please refer to FIGS. 1A to 1C for the following description.
第1の実施形態:
集束太陽光誘導モジュール1000は、レンズアレイプレート1100および光誘導プレート120を備える。エネルギー変換装置140が、光誘導プレート120の第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置140は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール1000は、太陽光線180を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置140に誘導するのに適しており、太陽光線180は、理想の平行光線とみなされる。
First embodiment:
The focused
レンズアレイプレート1100は、太陽光線180を受光し、集束する。レンズアレイプレート1100は、少なくとも1つのレンズ110を備え、各レンズ110は、上方湾曲面110aおよび下方平坦面110bを有する。例えば、レンズアレイプレート1100は、ロールツーロール(R2R)方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。レンズ110の下方平坦面110bは、上方湾曲面110aの2つの端点の間に動径間距離を有するように規定される。単一のレンズ110の下方平坦面110bの長さは、Wである。一実施形態では、各レンズ110は、半球筒状レンズである。上方湾曲面110aは、互いに接続され、下方平坦面110bは、互いに接続されている。レンズ110は、平行に配列されてレンズアレイプレート1100を形成する。
The
光誘導プレート120は、上方平坦面120aおよび下方微細構造面120bを有する。光誘導プレート120の厚みhは、上方平坦面120aと下方微細構造面120bとの間の距離である。光誘導プレート120の上方平坦面120aは、レンズ110の下方平坦面110bと平行になるように構成される。本開示の第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、次の説明は、光誘導プレート120の上方平坦面120aがレンズ110の下方平坦面110bに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、他の実施形態では、光誘導プレート120の上方平坦面120aは、レンズ110の下方平坦面110bとの間に間隙があって離れ、かつこれと平行であってもよい。光誘導プレート120の上方平坦面120aとレンズ110の下方平坦面110bとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
The
下方微細構造面120bは、少なくとも1つの凹領域130および少なくとも1つの接続領域132を備える。接続領域132は、光誘導プレート120の上方平坦面120aに平行であり、接続領域132は、隣接する凹領域130の間に接続されている。つまり、本開示の第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域130は、互いに離れ(すなわち、連続しておらず)、下方微細構造面120bに配置される。2つの凹領域130ごとに、接続領域132によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート120の下方微細構造面120bは、連続していない凹領域130を有する。一実施形態では、各凹領域130の位置は、レンズ110の1つの上方湾曲面110aの位置と関係がある。その結果、半球筒状レンズ110の構造に対応して、凹領域130は、ストライプ構造に構成される。特に、半球筒状レンズ110の軸方向と凹領域130の軸方向との間の夾角は、0°である(つまり、半球筒状レンズ110の軸方向は、凹領域130の軸方向と平行である)。
The lower
図1Cを見ると、凹領域130は、凹点130a、第1の傾斜平面130b、および第2の傾斜平面130cを備えている。第1の傾斜平面130bおよび第2の傾斜平面130cは、それぞれ凹点130aの異なる側に位置している。両傾斜平面は、それぞれ凹点130aおよび隣接する接続領域132との間に接続されている。第1の傾斜平面130bは、第1の側面12の方を向いている。そのため、凹領域130の形状は、実質的に逆Vカットであり、凹点130aおよびすぐ傍の2つの斜面(第1の傾斜平面130bおよび第2の傾斜平面130c)を有する。凹点130aは、接続領域132に対して垂直な垂直線を形成する。第1の傾斜平面130bと接続領域132の垂直線との間の夾角(すなわち、第1の夾角)は、θ1である。第2の傾斜平面130cと接続領域132の垂直線との間の夾角(すなわち、第2の夾角)は、θ2である。垂直線と傾斜平面130bおよび130cの隣接する接続領域132との間の、接続領域132の延長部分の長さは、それぞれd1およびd2である。
Referring to FIG. 1C, the recessed
本開示の第1の実施形態によれば、夾角θ1およびθ2は、いずれも15°から60°までの間である。レンズ110の下方平坦面110bの長さWは、長さd1とd2の和の2倍以上、つまりW≧2(d1+d2)である。
According to the first embodiment of the present disclosure, the depression angles θ 1 and θ 2 are both between 15 ° and 60 °. The length W of the lower
レンズアレイプレート1100によって集束された後、太陽光線180は、凹領域130および接続領域132に続けて2回反射する。次に、太陽光線180は、全内反射によって光誘導プレート120の中へ誘導される。最後に、太陽光線180は、光誘導プレート120の第1の側面12を通過する。エネルギー変換装置140は、第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線180を受光し、この太陽光線180を電力に変換する。特に、図1Bおよび図1Cを見ると、レンズ110を通過する太陽光線180の焦点は、第1の傾斜平面130bの上方に位置している。太陽光線180がレンズアレイプレート1100を通過し、レンズアレイプレート1100によって集束された後、集束された太陽光線180の焦点は、第1の傾斜平面130bの上方に配置される。その後、集束された太陽光線180は、凹領域130の第1の傾斜平面130bに照射されてから、第1の傾斜平面130bで反射し(これによって第1の反射を形成)、隣接する接続領域132上へと進む。この実施形態では、レンズアレイプレート1100の焦点は、第1の傾斜平面130bの上方に位置しているが、レンズアレイプレート1100の焦点は、第1の傾斜平面130bに位置していてもよいし、第1の傾斜平面130bの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
After being focused by the
次に、太陽光線180は、接続領域132で反射し(これによって第2の反射を形成)、その結果、太陽光線180は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線180は、全内反射によって光誘導プレート120の上方平坦面120aと下方微細構造面120bとの間で反射し、その結果、太陽光線180は、光誘導プレート120の第1の側面12に向かって誘導される。そのため、太陽光線180は、最終的に光誘導プレート120の第1の側面12を通過する。第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置140は、第1の側面12を通過する太陽光線180を受光でき、したがってこの太陽光線180を電力に変換できる。光誘導プレート120の屈折率を、ncと表記する。太陽光線180が接続領域132の上に入射して2回目の反射をする(第2の反射)とき、太陽光線180の入射角は、光誘導プレート120と空気との間の臨界角
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射し、光誘導プレート120内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
Next, the sun rays 180 are reflected at the connection region 132 (thus forming a second reflection), so that the sun rays 180 are refracted at a larger angle. Next, the
This critical angle is sufficient for the light to be totally reflected and reflected back and forth within the
本開示の第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート120の厚みhおよびレンズ110の下方平坦面110bの長さWは、h≧Wの関係にある。その上、レンズアレイプレート1100がN個のレンズ110を有する場合、h、W、およびNは、N×W≦50×hの関係にある。例えば、N、W、およびhを、それぞれ70個、3mm、および10mmに設計する。
In the focused sunlight guiding module according to the first embodiment of the present disclosure, the thickness h of the
太陽光線180を光誘導プレート120の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート1100の屈折率nlは、光誘導プレート120の屈折率ncよりも小さくなっている。
The refractive index n l of the
第2の実施形態:
図1Dは、本開示の第2の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレート1100、光誘導プレート120、およびインターフェース層150を備える。インターフェース層150は、レンズアレイプレート1100(レンズ110)と光誘導プレート120との間に配置される。太陽光線180を光誘導プレートの中へ誘導できるように、インターフェース層150の屈折率niは、光誘導プレート120の屈折率ncよりも小さく、インターフェース層150の屈折率niは、同じくレンズアレイプレート1100の屈折率nlよりも小さくなっている。
Second embodiment:
FIG. 1D is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a second embodiment of the present disclosure. The focused sunlight guiding module includes a
第3の実施形態:
図2Aは、本開示の第3の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの側面図である。誘導される光の強度を増大するため、各レンズ110’は、断面輪郭が湾曲した鋸歯状であり、レンズ110’は、上方湾曲面110a’、下方平坦面110b’、および接続面110cを備える。接続面110cは、互いに隣接する2つの上方湾曲面110a’を接続している。この実施形態では、上方湾曲面110a’は、第1の側面12に相当する方向を向いており、その結果、太陽光線180は、レンズ110’に入ると光誘導プレート120上に集束され、上方湾曲面110a’の中心から第1の側面12の方に傾斜した方向に屈折する。そのため、集束されレンズ110’を通過する太陽光線180は、より大きい入射角で第1の傾斜平面130bに入射し、第1の傾斜平面130bで反射する光の強度は増大する。この実施形態では、接続面110cは垂直面だが、他の実施形態では、接続面110cは、斜面であってもよい。本開示は、これに限定されない。
Third embodiment:
FIG. 2A is a side view of a focused solar light induction module according to a third embodiment of the present disclosure. In order to increase the intensity of the guided light, each
第4の実施形態:
図2Bは、本開示の第4の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。レンズアレイプレート1100および光誘導プレート120のほかに、集束太陽光誘導モジュールは、さらに集光レンズ160を備える。本開示の第4の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集光レンズ160は、第1の側面12とエネルギー変換装置140’との間に配置され、その結果、エネルギー変換装置140’に入る前に、太陽光線180はまず集光レンズ160を通過し、光誘導プレート120を通過する太陽光線180の集光範囲を一層狭め、これによって、エネルギー変換装置140’の使用および占有面積を節約して小型化した設計を達成する。
Fourth embodiment:
FIG. 2B is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a fourth embodiment of the present disclosure. In addition to the
第5の実施形態:
図3Aは、本開示の第5の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図であり、図3Bは、図3Aの側面図である。図3Cは、図3Bの部分拡大図である。以下の説明には図3Aから図3Cを参照のこと。
Fifth embodiment:
FIG. 3A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a fifth embodiment of the present disclosure, and FIG. 3B is a side view of FIG. 3A. FIG. 3C is a partially enlarged view of FIG. 3B. See FIGS. 3A-3C for the following discussion.
集束太陽光誘導モジュール2000は、レンズアレイプレート1100および光誘導プレート120を備える。光誘導プレート120は、2つの異なる側面、つまり第1の側面12および第2の側面12aを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置140を有する。集束太陽光誘導モジュール2000は、太陽光線180を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置140に誘導するのに適しており、太陽光線180は、理想の平行光線とみなされる。
The focused
レンズアレイプレート1100は、太陽光線180を受光し、集束する。レンズアレイプレート1100は、少なくとも1つのレンズ110、光誘導プレート120を備え、光誘導プレートは上方平坦面120aおよび下方微細構造面120bを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第1の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図3Cに示すような本開示の第5の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズ110を通過する太陽光線180の焦点は、凹点130aの上方に位置する。特に、太陽光線180がレンズアレイプレート1100によって集束された後、太陽光線180の焦点は、凹点130aの上方に位置する。次に、集束された太陽光線180は、第1の傾斜平面130bおよび第2の傾斜平面130cで反射し、凹点130aの異なる側に進む。この実施形態では、レンズアレイプレート1100の焦点は、凹点130aの上方に位置しているが、レンズアレイプレート1100の焦点は、凹点130aに位置していてもよいし、凹点130aの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
The
次に、太陽光線180は、接続領域132で反射し、その結果、光線はより大きい角度で屈折する。太陽光線180は、光誘導プレート120の上方平坦面120aと下方微細構造面120bとの間で全内反射する。そのため、太陽光線180は、光誘導プレート120の第1の側面12と第2の側面12aとの両方に向かって誘導される。そのため、太陽光線180は、最終的に、凹点130aの2つの異なる側に向かって進み、光誘導プレート120の第1の側面12および第2の側面12aを通過する。第1の傾斜平面130bは、第1の側面12の方を向き、第2の傾斜平面130cは、第2の側面12aの方を向いている。最後に、第1の側面12および第2の側面12aに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置140は、光誘導プレート120を通過する太陽光線180を受光し、これに応じて、太陽光線180を電力に変換することができる。
Next, the sun rays 180 are reflected at the
第6の実施形態:
図4Aは、本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図4Bは、図4Aの側面図である。図4Cは、図4Bの部分拡大図である。以下の説明には図4Aから図4Cを参照のこと。
Sixth embodiment:
FIG. 4A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a sixth embodiment of the present disclosure. FIG. 4B is a side view of FIG. 4A. FIG. 4C is a partially enlarged view of FIG. 4B. See FIGS. 4A-4C for the following discussion.
集束太陽光誘導モジュール3000は、光誘導プレート210およびレンズアレイプレート2200を備える。エネルギー変換装置240が、光誘導プレート210の第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置240は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール3000は、太陽光線280を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置240に誘導するのに適しており、太陽光線280は、理想の平行光線とみなされる。
The focused
光誘導プレート210は、上方微細構造面210aおよび下方平坦面210bを有する。光誘導プレート210の厚みh’は、上方微細構造面210aと下方平坦面210bとの間の距離である。上方微細構造面210aは、少なくとも1つの凹領域230および少なくとも1つの接続領域232を備える。接続領域232は、光誘導プレート210の下方平坦面210bに平行であり、接続領域232は、互いに隣接する凹領域230の間に接続される。つまり、本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域230は、互いに離れており(つまり、連続しておらず)、上方微細構造面210a上に配置される。2つの凹領域230ごとに、接続領域232によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート210の上方微細構造面210aは、連続していない凹領域230を有する。
The
図4Cを見ると、凹領域230は、凹点230a、第1の傾斜平面230b、および第2の傾斜平面230cを備えている。第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230cは、それぞれ凹点230aの異なる側に位置する。両傾斜平面は、それぞれ凹点230aおよびこれに隣接する接続領域232との間に接続されている。第1の傾斜平面230bは、第1の側面12の方を向いている。そのため、凹領域230の形状は、実質的にVカットであり、凹点230aおよびすぐ傍の2つの斜面(第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230c)を有する。凹点230aは、接続領域232に対して垂直な垂直線を形成する。第1の傾斜平面230bと接続領域232の垂直線との間の夾角(すなわち、第1の夾角)は、θ1’である。第2の傾斜平面230cと接続領域232の垂直線との間の夾角(すなわち、第2の夾角)は、θ2’である。垂直線と傾斜平面230bおよびおよび230cの隣接する接続領域232との間で、接続領域232の延長部分の長さは、それぞれd1’およびd2’である。
Referring to FIG. 4C, the recessed
本開示の第6の実施形態によれば、夾角θ1’およびθ2’のいずれも、15°から60°までの間である。レンズ220の上方平坦面220aの長さW’は、長さd1’とd2’の和の2倍以上、つまりW’≧2(d1’+d2’)である。
According to the sixth embodiment of the present disclosure, both the depression angles θ 1 ′ and θ 2 ′ are between 15 ° and 60 °. The length W ′ of the upper
図4Aおよび図4Bを見ると、レンズアレイプレート2200は、少なくとも1つのレンズ220を備え、各レンズ220は、上方平坦面220aおよび下方湾曲面220bを有する。例えば、レンズアレイプレート2200は、ロールツーロール(R2R)方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。1つのレンズ220の上方平坦面220aの長さは、W’である。一実施形態では、各レンズ220は、半球筒状レンズである。上方平坦面220aは、互いに接続され、下方湾曲面220bは、互いに接続されている。レンズ220は、平行に配列されてレンズアレイプレート2200を形成する。
4A and 4B, the
下方湾曲面220bは、反射層281で被覆されている。そのため、太陽光線280は、反射層281で反射して集束され、光誘導プレート210に進むことができる。反射層281は、金属、全反射多層、白色反射体などの反射材料で作製されることができる。
The downward
レンズ220の上方平坦面220aは、光誘導プレート210の下方平坦面210bに平行になるように構成される。本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、以下の説明は、レンズ220の上方平坦面220aが光誘導プレート210の下方平坦面210bに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、レンズ220の上方平坦面220aは、光誘導プレート210の下方平坦面210bとの間に間隙があって離れて固定され、かつこれと平行であってもよい。レンズ220の上方平坦面220aと光誘導プレート210の下方平坦面210bとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
The upper
光誘導プレート210を通過した後、太陽光線280は、レンズアレイプレート2200のレンズ220の下方湾曲面220bで反射して集束され、光誘導プレート210の上方微細構造面210aまで進む。次に、太陽光線280は、凹領域230および接続領域232に続けて2回反射し、全内反射によって光誘導プレート210の中へ誘導される。最後に、太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12を通過する。エネルギー変換装置240は、第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線280を受光し、この太陽光線280を電力に変換する。特に、図4Bおよび図4Cを見ると、レンズ220で反射し集束される太陽光線280の焦点は、第1の傾斜平面230bの下方に位置している。太陽光線280が光誘導プレート210を通過し、レンズアレイプレート2200に入った後、太陽光線280は、反射層281を施された下方湾曲面220bで反射し、その後、凹領域230の第1の傾斜平面230bの下方に集束される。次に、集束された太陽光線280は、まず凹領域230の第1の傾斜平面230bの上に照射され、第1の傾斜平面230bで反射し(これによって第1の反射を形成し)、隣接する接続領域232上へ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート2200の焦点は、第1の傾斜平面230bの下方に位置しているが、レンズアレイプレート2200の焦点は、第1の傾斜平面230bに位置していてもよいし、第1の傾斜平面230bの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
After passing through the
次に、太陽光線280は、接続領域232で反射し(これによって第2の反射を形成し)、その結果、太陽光線280は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線280は、光誘導プレート210の上方微細構造面210aと下方平坦面210bとの間で反射し、その結果、太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12に向かって誘導される。そのため、太陽光線280は、最終的に光誘導プレート210の第1の側面12を通過する。第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置240は、第1の側面12を通過する太陽光線280を受光でき、これに応じて、この太陽光線280を電力に変換できる。光誘導プレート210の屈折率を、nc’と表記する。太陽光線280が接続領域232に入射して2回目の反射をする(第2の反射)とき、太陽光線280の入射角は、光誘導プレート210と空気との間の臨界角
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射して、光誘導プレート210内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
Next, the sun rays 280 are reflected at the connection region 232 (and thereby form a second reflection), so that the sun rays 280 are refracted at a larger angle. Next, the
This critical angle is sufficient for the light to be totally reflected and reflected back and forth within the
本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート210の厚みh’およびレンズ220の上方平坦面220aの長さW’は、h’≧W’の関係にある。その上、レンズアレイプレート2200がN個のレンズ220を有する場合、h’、W’、およびNは、N×W’≦50×h’の関係にある。例えば、N、W’、およびh’を、それぞれ70個、3mm、および10mmに設計する。
In the focused sunlight guiding module according to the sixth embodiment of the present disclosure, the thickness h ′ of the
太陽光線280を光誘導プレート210の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート2200の屈折率nl’は、光誘導プレート210の屈折率nc’よりも小さくなっている。
The refractive index n l ′ of the
第7の実施形態:
図4Dは、本開示の第7の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレート210、レンズアレイプレート2200、およびインターフェース層150を備える。インターフェース層150は、光誘導プレート210とレンズアレイプレート2200(レンズ220)との間に配置されている。太陽光線280を光誘導プレート210の中へ誘導できるように、インターフェース層150の屈折率ni’は、光誘導プレート210の屈折率nc’よりも小さく、インターフェース層150の屈折率ni’は、同じくレンズアレイプレート2200の屈折率nl’よりも小さくなっている。
Seventh embodiment:
FIG. 4D is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a seventh embodiment of the present disclosure. The focused sunlight guiding module includes a
第8の実施形態:
図5Aは、本開示の第8の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図5Bは、図5Aの側面図である。図5Cは、図5Bの部分拡大図である。以下の説明には図5Aから図5Cを参照のこと。
Eighth embodiment:
FIG. 5A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to an eighth embodiment of the present disclosure. FIG. 5B is a side view of FIG. 5A. FIG. 5C is a partially enlarged view of FIG. 5B. See FIGS. 5A-5C for the following discussion.
集束太陽光誘導モジュール4000は、光誘導プレート210およびレンズアレイプレート2200を備える。光誘導プレート210は、2つの異なる側面、つまり第1の側面12および第2の側面12aを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置240を有する。集束太陽光誘導モジュール4000は、太陽光線280を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置240に誘導するのに適しており、太陽光線280は、理想の平行光線とみなされる。
The focused
レンズアレイプレート2200は、少なくとも1つのレンズ220および光誘導プレート210を備え、光誘導プレートは、上方微細構造面210aおよび下方平坦面210bを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第6の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図5Cに示すような本開示の第8の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズアレイプレート2200で反射し集束された太陽光線280の焦点は、凹点230aの下方に位置する。反射層281で反射し集束された太陽光線280の焦点は、凹点230aの下方に配置される。そのため、集束された太陽光線280は、凹点230aの2つの異なる側の斜面に向かってそれぞれ進み、そこで凹領域230の第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230cの上に照射され、第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230cで反射して、この傾斜平面に隣接する接続領域232にそれぞれ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート2200の焦点は、凹点230aの下方に位置しているが、レンズアレイプレート2200の焦点は、凹点230aに位置していてもよいし、凹点230aの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
The
次に、太陽光線280は、接続領域232で反射し、その結果、光はより大きい角度で屈折する。太陽光線280は、光誘導プレート210の上方微細構造面210aと下方平坦面210bとの間で全内反射する。そのため、太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12と第2の側面12aとの両方に向かって誘導される。太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12および第2の側面12aを通過する。第1の傾斜平面230bは、第1の側面12の方を向き、第2の傾斜平面230cは、第2の側面12aの方を向いている。最後に、第1の側面12および第2の側面12aに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置240は、光誘導プレート220を通過する太陽光線280を受光し、これに応じて、太陽光線280を電力に変換することができる。
Next, the sun rays 280 are reflected at the
以上の観点から、本開示の任意の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集束太陽光誘導モジュールのレンズを、図2Aに示すような断面輪郭が湾曲した鋸歯状であるレンズに置換して、誘導された光の強度を増大させることができる。このようにする代わりに、図2Bに示すように、集光レンズ160を、光誘導プレートの第1の側面12とエネルギー変換装置140’との間に配置し、第1の側面12から出る太陽光線の集光範囲を一層狭めるようにする。そうすると、エネルギー変換装置140’の占有面積もさらに減らすことができる。当業者であれば、本開示の任意の実施形態に照らし合わせて太陽光線誘導モジュールの詳細部を設計できるであろう。上記の実施形態は、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
In view of the above, in the focused solar light induction module according to any embodiment of the present disclosure, the lens of the focused solar light induction module is replaced with a lens having a sawtooth shape with a curved cross-sectional profile as illustrated in FIG. The intensity of the guided light can be increased. Instead, as shown in FIG. 2B, a condensing
さらに、図6Aは、図1Dの概略図である。レンチキュラーレンズ110の軸方向は、太陽が昇り沈みする方向EWと表記した東西方向に平行となるように構成される。図6Bおよび図6Cは、図6Aによる光誘導の標準的な効率をシミュレーションした結果である。シミュレーションのパラメータは、以下の通りである:
R(レンチキュラーレンズの曲率半径)=4.09mm
nl=1.56
ni=1.00
nc=1.49
h=10mm
W=3.46mm
N×W=210mm
θ1=40°
θ2=20°
d1=0.302mm
d2=0.131mm
6A is a schematic diagram of FIG. 1D. The axial direction of the
R (the radius of curvature of the lenticular lens) = 4.09 mm
n l = 1.56
n i = 1.00
n c = 1.49
h = 10mm
W = 3.46mm
N × W = 210mm
θ 1 = 40 °
θ 2 = 20 °
d 1 = 0.302 mm
d 2 = 0.131 mm
正午に太陽光線180は、正常な角度(すなわち入射角0°)で集束太陽光誘導モジュールに入射し、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導をシミュレーションした効率は、およそ60%である。
At noon, the
太陽光線180の入射角が±30度の間であるとき(つまり、日中の午前10:00から午後2:00)、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導の標準的な効率は、55%を上回ることができる。レンチキュラーレンズ110の軸方向は、東西方向に平行であるため、日中に太陽が昇り沈みすることによって起きる入射角の変化は起こりにくい。したがって、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールは、正午前後に太陽を追尾するシステムを装備しなくとも、依然として55%を上回る光誘導の相対効率を達成することができる。
When the incident angle of the
図6Cに示すように、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールの季節による角度変化は、最大で±1度とすることができる。したがって、光誘導モジュールの季節変化に対する角度変化の感度を低減するようになっている場合は、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、図6Dに示すように、レンズアレイプレートも南北方向に動かすことができる(つまり、レンズアレイプレートは、可動式レンズのアレイとなるように設計される)。季節の変動要素が太陽光線180の入射角を変化させるため、レンズアレイプレートは、南北方向に動き、集束された太陽光線180も光誘導プレート120の凹領域130の近傍に落ちることができ、これによって、季節ごとの太陽を追尾する光誘導効果を達成する。
As shown in FIG. 6C, the angle change due to the season of the focused solar light induction module according to the present embodiment can be set to ± 1 degree at the maximum. Therefore, when the sensitivity of the angle change with respect to the seasonal change of the light guiding module is reduced, in the focused sunlight guiding module according to the present embodiment, the lens array plate is also moved in the north-south direction as shown in FIG. 6D. (Ie, the lens array plate is designed to be an array of movable lenses). Since the seasonal variation element changes the incident angle of the
このほか、レンチキュラーレンズ110の軸方向が、図6Aに示すように、方向EWと表記した東西方向に平行となるように構成されるとき、東西方向を向いている光誘導プレート120の側面を反射層121(金属、全反射多層および白色反射体など)で被覆して、表面から光線が漏れる問題を解消する。
In addition, when the axial direction of the
上記の観点から、本開示による集束太陽光誘導モジュールでは、入射する太陽光線は、レンズアレイプレートによって集束され、光誘導プレートの表面上の微細構造で反射し、光誘導プレートの中へ誘導されることができる。光誘導プレートの側面を通過した後、太陽光線は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置によって受光され、電力に変換される。したがって、本開示による集束太陽光誘導モジュールは、太陽電池の使用を軽減し、モジュールコストを削減し、太陽追尾システムなしに光誘導の高効率を維持する。 In view of the above, in the focused solar light induction module according to the present disclosure, the incident solar light is focused by the lens array plate, reflected by the fine structure on the surface of the light guide plate, and guided into the light guide plate. be able to. After passing through the side surface of the light guide plate, the sunlight is received by an energy conversion device disposed in contact with or near the side surface and converted into electric power. Thus, a focused solar induction module according to the present disclosure reduces the use of solar cells, reduces module costs, and maintains high efficiency of light induction without a solar tracking system.
本開示は、集束太陽光誘導モジュールに関し、特に、微細構造設計の光誘導プレートを備える集束太陽光誘導モジュールに関する。 The present disclosure relates to a focused sunlight induction module, and more particularly, to a focused sunlight induction module including a microstructured light guide plate.
産業の急速な発展に伴い、化石燃料が徐々に枯渇し、温室効果ガスを排出している問題が世界中でますます憂慮されており、安定したエネルギー資源の供給が明らかに世界規模の主要課題になっている。従来の石炭火力発電、ガス火力発電、または原子力発電と比較して、太陽電池は、光電変換または熱電変換効果により、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、二酸化炭素、窒素酸化物、および硫黄酸化物などの温室効果ガスまたは汚染ガスを産出することがないため、化石燃料への依存を軽減し、安全かつ独立した電力源を供給する。 With the rapid development of the industry, the issue of fossil fuel depletion and greenhouse gas emissions is increasingly concerned all over the world, and the stable supply of energy resources is clearly a major global issue It has become. Compared with conventional coal-fired power generation, gas-fired power generation, or nuclear power generation, solar cells convert solar energy directly into electrical energy by the photoelectric conversion or thermoelectric conversion effect, and carbon dioxide, nitrogen oxide, and sulfur oxidation Reduces dependence on fossil fuels and provides a safe and independent power source because it does not produce greenhouse gases or pollutant gases.
多くの太陽電池技術においては、太陽電池材料によって変換される太陽放射光が、使用に便利な電力源になっている。結晶シリコン太陽電池を例に挙げると、結晶シリコン太陽電池は、光電変換効率が12%から20%であり、異なる結晶材料を用いて設計された太陽電池は、光電特性が異なる。一般に、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の変換効率は、約14%または16%であるため、寿命は長くなるが、単結晶シリコンまたは多結晶太陽電池の発電コストは高い。したがって、政府の助成金が必要であり、この種の太陽電池は、発電所または交通信号灯の信号にしか適用できない。 In many solar cell technologies, solar radiation converted by the solar cell material has become a convenient power source for use. Taking a crystalline silicon solar cell as an example, a crystalline silicon solar cell has a photoelectric conversion efficiency of 12% to 20%, and a solar cell designed using different crystalline materials has different photoelectric characteristics. In general, since the conversion efficiency of a single crystal silicon or polycrystalline solar cell is about 14% or 16%, the lifetime is increased, but the power generation cost of the single crystal silicon or polycrystalline solar cell is high. Therefore, government subsidies are required and this type of solar cell can only be applied to power plant or traffic light signals.
その上、上記のシリコン材料のほか、太陽電池はさらに、例えば、インジウムガリウムヒ素(InGaAs)およびガリウムヒ素(GaAs)のようなIII−V族化合物半導体材料など、他の材料から作製することができる。結晶シリコンを用いた太陽エネルギー技術とは異なり、III−V族化合物半導体材料でできた太陽電池は、より広い太陽スペクトルのエネルギーを吸収できるため、最大でほぼ60%から70%を上回るほどの最も高い光電変換効率を達成する。 In addition to the silicon materials described above, solar cells can also be made from other materials such as, for example, III-V compound semiconductor materials such as indium gallium arsenide (InGaAs) and gallium arsenide (GaAs). . Unlike solar energy technology using crystalline silicon, solar cells made of III-V compound semiconductor materials can absorb a wider solar spectrum energy, so that the maximum is almost 60% to over 70%. Achieve high photoelectric conversion efficiency.
しかしながら、III−V族化合物半導体材料でできた太陽電池の製造コストおよび価格も、全種類の太陽電池の中で最も高い。そのため、太陽電池の使用を減らして発電コストを削減するために、太陽光集光装置を具備して光吸収領域を縮小している。しかしながら、そのコストは、太陽光集光装置が広い領域に設置するように求められる場合にしか相殺されず、これによって適用に不便が生じ、太陽電池の適用が制限されている。そのため、太陽電池の発電コストをいかに効果的に削減するかが、実際に現時点で当業者が切に解決を迫られている1つの主要課題である。 However, the manufacturing cost and price of solar cells made of III-V compound semiconductor materials are also the highest among all types of solar cells. Therefore, in order to reduce the use of solar cells and reduce the power generation cost, the solar light collecting device is provided to reduce the light absorption region. However, the cost is offset only when the solar concentrator is required to be installed in a large area, which causes inconvenience in application and limits the application of solar cells. Therefore, how to effectively reduce the power generation cost of the solar cell is one of the main issues that are actually being urgently solved by those skilled in the art.
本開示は、上記の問題を解決し、太陽電池の発電コストを削減するのに適した、集束太陽光誘導モジュールを提供する。 The present disclosure provides a focused solar light induction module suitable for solving the above problems and reducing the power generation cost of a solar cell.
本開示は、太陽光線をエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。 The present disclosure relates to a focused solar light induction module suitable for directing solar radiation to an energy conversion device.
集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える。レンズアレイプレートは、少なくとも1つのレンズを備え、各レンズは、上方湾曲面および下方平坦面を有する。レンズアレイプレートは、太陽光線を受光し、集束する。光誘導プレートは、上方平坦面および下方微細構造面を有する。光誘導プレートの上方平坦面は、レンズアレイプレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートの下方微細構造面は、少なくとも1つの凹領域および少なくとも1つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの上方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第1の傾斜平面、および第2の傾斜平面を備える。第1の傾斜平面および第2の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートによって集束されたのち、太陽光線は、凹領域および接続領域に続けて2回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導される。太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも1つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。 The focused solar light induction module includes a lens array plate and a light guide plate. The lens array plate comprises at least one lens, each lens having an upper curved surface and a lower flat surface. The lens array plate receives sunlight and focuses it. The light guide plate has an upper flat surface and a lower microstructured surface. The upper flat surface of the light guide plate is configured to be parallel to the lower flat surface of the lens array plate. The lower microstructured surface of the light guide plate comprises at least one concave area and at least one connection area. The connection region is parallel to the upper flat surface of the light guide plate and is connected between adjacent concave regions. The recessed area includes a recessed point, a first inclined plane, and a second inclined plane. The first inclined plane and the second inclined plane are located on different sides of the concave point, and are connected between the concave point and the adjacent connection region. After being focused by the lens array plate, the sunlight is reflected twice following the concave and connected areas and is guided into the light guide plate by total internal reflection. Sun rays pass through at least one side of the light guide plate. The energy conversion device is disposed in contact with or near the side surface of the light guide plate, receives sunlight rays passing through the side surface of the light guide plate, and converts the sunlight rays into electric power.
本開示は、さらに、太陽光線を別の方法でエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。 The present disclosure further relates to a focused solar light induction module suitable for directing solar radiation to an energy conversion device in another way.
集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレートおよびレンズアレイプレートを備える。光誘導プレートは、上方微細構造面および下方平坦面を有する。上方微細構造面は、少なくとも1つの凹領域および少なくとも1つの接続領域を備える。接続領域は、光誘導プレートの下方平坦面に平行であり、隣接する凹領域の間に接続している。凹領域は、凹点、第1の傾斜平面、および第2の傾斜平面を備える。第1の傾斜平面および第2の傾斜平面は、凹点の異なる側に位置し、凹点と隣接する接続領域との間に接続している。レンズアレイプレートは、少なくとも1つのレンズを備え、各レンズは、上方平坦面および下方湾曲面を有する。レンズの上方平坦面は、光誘導プレートの下方平坦面と平行になるように構成される。光誘導プレートを通過し、下方湾曲面で反射した後、太陽光線は、光誘導プレートの上方微細構造面の凹領域および接続領域に続けて2回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導され、太陽光線は、光誘導プレートの少なくとも1つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力に変換する。 The focused solar light induction module includes a light guide plate and a lens array plate. The light guide plate has an upper microstructured surface and a lower flat surface. The upper microstructured surface comprises at least one concave area and at least one connection area. The connection region is parallel to the lower flat surface of the light guide plate and is connected between adjacent concave regions. The recessed area includes a recessed point, a first inclined plane, and a second inclined plane. The first inclined plane and the second inclined plane are located on different sides of the concave point, and are connected between the concave point and the adjacent connection region. The lens array plate includes at least one lens, and each lens has an upper flat surface and a lower curved surface. The upper flat surface of the lens is configured to be parallel to the lower flat surface of the light guide plate. After passing through the light guide plate and reflected by the downward curved surface, the sunlight is reflected twice in succession to the concave area and the connection area of the upper fine structure surface of the light guide plate, and is totally reflected by the internal reflection. Sun rays pass through at least one side of the light guide plate. The energy conversion device is disposed in contact with or near the side surface of the light guide plate, receives sunlight rays passing through the side surface of the light guide plate, and converts the sunlight rays into electric power.
本開示は、さらに、太陽光線を別の方法でエネルギー変換装置に誘導するのに適した、集束太陽光誘導モジュールに関する。The present disclosure further relates to a focused solar light induction module suitable for directing solar radiation to an energy conversion device in another way.
集束太陽光誘導モジュールは、レンズ光誘導プレートを備える。レンズ光誘導プレートは、レンズアレイおよび複数の微細構造を有する。レンズアレイは、レンズ光誘導プレートの一方の面に配置され、微細構造は、レンズ光誘導プレートのもう一方の反対側の面に配置される。レンズアレイは、湾曲面を有する少なくとも1つのレンズを備える。レンズアレイは、太陽光線を受光し、集束する。微細構造は、少なくとも1つの凹領域および少なくとも1つの接続領域を備える。接続領域は、少なくとも1つの凹部の各々の間に接続している。凹領域は、凹点、第1の傾斜平面、および第2の傾斜平面を備える。第1の傾斜平面および第2の傾斜平面は、それぞれ凹点の2つの異なる側に配置され、凹点と隣接する接続領域との間にそれぞれ接続している。太陽光線がレンズ光誘導プレートによって集束された後、太陽光線は、レンズ光誘導プレートの微細構造の凹領域および接続領域に続けて2回反射し、全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導され、太陽光線は、レンズ光誘導プレートの少なくとも1つの側面を通過する。エネルギー変換装置は、レンズ光誘導プレートの側面に接してまたはこの近傍に配置され、レンズ光誘導プレートを通過する太陽光線を受光し、この太陽光線を電力源に変換する。The focused sunlight guiding module includes a lens light guiding plate. The lens light guide plate has a lens array and a plurality of microstructures. The lens array is disposed on one surface of the lens light guiding plate, and the microstructure is disposed on the other surface opposite the lens light guiding plate. The lens array includes at least one lens having a curved surface. The lens array receives sunlight and focuses it. The microstructure comprises at least one concave area and at least one connection area. The connection region is connected between each of the at least one recess. The recessed area includes a recessed point, a first inclined plane, and a second inclined plane. The first inclined plane and the second inclined plane are respectively arranged on two different sides of the concave point, and are respectively connected between the concave point and the adjacent connection region. After the sunlight is focused by the lens light guide plate, the sunlight is reflected twice following the concave and connected areas of the microstructure of the lens light guide plate and guided into the light guide plate by total internal reflection. Sunlight passes through at least one side of the lens light guide plate. The energy conversion device is disposed in contact with or near the side surface of the lens light guide plate, receives sunlight rays passing through the lens light guide plate, and converts the sunlight rays into a power source.
本開示は、例示のみを目的としているため本開示を限定しない以下に記載した詳細説明から、さらに完全に理解されるであろう。 The present disclosure will be more fully understood from the following detailed description, which is intended to be exemplary only and does not limit the present disclosure.
以下の詳細説明では、説明目的で、開示した実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細事項を記載している。しかしながら、これらの特定の詳細事項がなくとも1つ以上の実施形態を実施できることは明らかであろう。このほか、図面を簡易化するために、公知の構造および装置を概略的に示している。 In the following detailed description, for the purposes of explanation, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the disclosed embodiments. However, it will be apparent that one or more embodiments may be practiced without these specific details. In addition, in order to simplify the drawings, known structures and apparatuses are schematically shown.
図1Aは、第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図1Bは、図1Aの側面図である。図1Cは、図1Bの部分拡大図である。以下の説明には、図1Aから図1Cを参照されたい。 FIG. 1A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a first embodiment. FIG. 1B is a side view of FIG. 1A. FIG. 1C is a partially enlarged view of FIG. 1B. Please refer to FIGS. 1A to 1C for the following description.
第1の実施形態:
集束太陽光誘導モジュール1000は、レンズアレイプレート1100および光誘導プレート120を備える。エネルギー変換装置140が、光誘導プレート120の第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置140は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール1000は、太陽光線180を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置140に誘導するのに適しており、太陽光線180は、理想の平行光線とみなされる。
First embodiment:
The focused
レンズアレイプレート1100は、太陽光線180を受光し、集束する。レンズアレイプレート1100は、少なくとも1つのレンズ110を備え、各レンズ110は、上方湾曲面110aおよび下方平坦面110bを有する。例えば、レンズアレイプレート1100は、ロールツーロール(R2R)方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。レンズ110の下方平坦面110bは、上方湾曲面110aの2つの端点の間に動径間距離を有するように規定される。単一のレンズ110の下方平坦面110bの長さは、Wである。一実施形態では、各レンズ110は、半球筒状レンズである。上方湾曲面110aは、互いに接続され、下方平坦面110bは、互いに接続されている。レンズ110は、平行に配列されてレンズアレイプレート1100を形成する。
The
光誘導プレート120は、上方平坦面120aおよび下方微細構造面120bを有する。光誘導プレート120の厚みhは、上方平坦面120aと下方微細構造面120bとの間の距離である。光誘導プレート120の上方平坦面120aは、レンズ110の下方平坦面110bと平行になるように構成される。本開示の第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、次の説明は、光誘導プレート120の上方平坦面120aがレンズ110の下方平坦面110bに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、他の実施形態では、光誘導プレート120の上方平坦面120aは、レンズ110の下方平坦面110bとの間に間隙があって離れ、かつこれと平行であってもよい。光誘導プレート120の上方平坦面120aとレンズ110の下方平坦面110bとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
The
下方微細構造面120bは、少なくとも1つの凹領域130および少なくとも1つの接続領域132を備える。接続領域132は、光誘導プレート120の上方平坦面120aに平行であり、接続領域132は、隣接する凹領域130の間に接続されている。つまり、本開示の第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域130は、互いに離れ(すなわち、連続しておらず)、下方微細構造面120bに配置される。2つの凹領域130ごとに、接続領域132によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート120の下方微細構造面120bは、連続していない凹領域130を有する。一実施形態では、各凹領域130の位置は、レンズ110の1つの上方湾曲面110aの位置と関係がある。その結果、半球筒状レンズ110の構造に対応して、凹領域130は、ストライプ構造に構成される。特に、半球筒状レンズ110の軸方向と凹領域130の軸方向との間の夾角は、0°である(つまり、半球筒状レンズ110の軸方向は、凹領域130の軸方向と平行である)。
The lower
図1Cを見ると、凹領域130は、凹点130a、第1の傾斜平面130b、および第2の傾斜平面130cを備えている。第1の傾斜平面130bおよび第2の傾斜平面130cは、それぞれ凹点130aの異なる側に位置している。両傾斜平面は、それぞれ凹点130aおよび隣接する接続領域132との間に接続されている。第1の傾斜平面130bは、第1の側面12の方を向いている。そのため、凹領域130の形状は、実質的に逆Vカットであり、凹点130aおよびすぐ傍の2つの斜面(第1の傾斜平面130bおよび第2の傾斜平面130c)を有する。凹点130aは、接続領域132に対して垂直な垂直線を形成する。第1の傾斜平面130bと接続領域132の垂直線との間の夾角(すなわち、第1の夾角)は、θ1である。第2の傾斜平面130cと接続領域132の垂直線との間の夾角(すなわち、第2の夾角)は、θ2である。垂直線と傾斜平面130bおよび130cの隣接する接続領域132との間の、接続領域132の延長部分の長さは、それぞれd1およびd2である。
Referring to FIG. 1C, the recessed
本開示の第1の実施形態によれば、夾角θ1およびθ2は、いずれも15°から60°までの間である。レンズ110の下方平坦面110bの長さWは、長さd1とd2の和の2倍以上、つまりW≧2(d1+d2)である。
According to the first embodiment of the present disclosure, the depression angles θ 1 and θ 2 are both between 15 ° and 60 °. The length W of the lower
レンズアレイプレート1100によって集束された後、太陽光線180は、凹領域130および接続領域132に続けて2回反射する。次に、太陽光線180は、全内反射によって光誘導プレート120の中へ誘導される。最後に、太陽光線180は、光誘導プレート120の第1の側面12を通過する。エネルギー変換装置140は、第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線180を受光し、この太陽光線180を電力に変換する。特に、図1Bおよび図1Cを見ると、レンズ110を通過する太陽光線180の焦点は、第1の傾斜平面130bの上方に位置している。太陽光線180がレンズアレイプレート1100を通過し、レンズアレイプレート1100によって集束された後、集束された太陽光線180の焦点は、第1の傾斜平面130bの上方に配置される。その後、集束された太陽光線180は、凹領域130の第1の傾斜平面130bに照射されてから、第1の傾斜平面130bで反射し(これによって第1の反射を形成)、隣接する接続領域132上へと進む。この実施形態では、レンズアレイプレート1100の焦点は、第1の傾斜平面130bの上方に位置しているが、レンズアレイプレート1100の焦点は、第1の傾斜平面130bに位置していてもよいし、第1の傾斜平面130bの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
After being focused by the
次に、太陽光線180は、接続領域132で反射し(これによって第2の反射を形成)、その結果、太陽光線180は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線180は、全内反射によって光誘導プレート120の上方平坦面120aと下方微細構造面120bとの間で反射し、その結果、太陽光線180は、光誘導プレート120の第1の側面12に向かって誘導される。そのため、太陽光線180は、最終的に光誘導プレート120の第1の側面12を通過する。第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置140は、第1の側面12を通過する太陽光線180を受光でき、したがってこの太陽光線180を電力に変換できる。光誘導プレート120の屈折率を、ncと表記する。太陽光線180が接続領域132の上に入射して2回目の反射をする(第2の反射)とき、太陽光線180の入射角は、光誘導プレート120と空気との間の臨界角
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射し、光誘導プレート120内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
Next, the sun rays 180 are reflected at the connection region 132 (thus forming a second reflection), so that the sun rays 180 are refracted at a larger angle. Next, the
This critical angle is sufficient for the light to be totally reflected and reflected back and forth within the
本開示の第1の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート120の厚みhおよびレンズ110の下方平坦面110bの長さWは、h≧Wの関係にある。その上、レンズアレイプレート1100がN個のレンズ110を有する場合、h、W、およびNは、N×W≦50×hの関係にある。例えば、N、W、およびhを、それぞれ70個、3mm、および10mmに設計する。
In the focused sunlight guiding module according to the first embodiment of the present disclosure, the thickness h of the
太陽光線180を光誘導プレート120の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート1100の屈折率nlは、光誘導プレート120の屈折率ncよりも小さくなっている。
The refractive index n l of the
第2の実施形態:
図1Dは、本開示の第2の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレート1100、光誘導プレート120、およびインターフェース層150を備える。インターフェース層150は、レンズアレイプレート1100(レンズ110)と光誘導プレート120との間に配置される。太陽光線180を光誘導プレートの中へ誘導できるように、インターフェース層150の屈折率niは、光誘導プレート120の屈折率ncよりも小さく、インターフェース層150の屈折率niは、同じくレンズアレイプレート1100の屈折率nlよりも小さくなっている。
Second embodiment:
FIG. 1D is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a second embodiment of the present disclosure. The focused sunlight guiding module includes a
第3の実施形態:
図2Aは、本開示の第3の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの側面図である。誘導される光の強度を増大するため、各レンズ110’は、断面輪郭が湾曲した鋸歯状であり、レンズ110’は、上方湾曲面110a’、下方平坦面110b’、および接続面110cを備える。接続面110cは、互いに隣接する2つの上方湾曲面110a’を接続している。この実施形態では、上方湾曲面110a’は、第1の側面12に相当する方向を向いており、その結果、太陽光線180は、レンズ110’に入ると光誘導プレート120上に集束され、上方湾曲面110a’の中心から第1の側面12の方に傾斜した方向に屈折する。そのため、集束されレンズ110’を通過する太陽光線180は、より大きい入射角で第1の傾斜平面130bに入射し、第1の傾斜平面130bで反射する光の強度は増大する。この実施形態では、接続面110cは垂直面だが、他の実施形態では、接続面110cは、斜面であってもよい。本開示は、これに限定されない。
Third embodiment:
FIG. 2A is a side view of a focused solar light induction module according to a third embodiment of the present disclosure. In order to increase the intensity of the guided light, each
第4の実施形態:
図2Bは、本開示の第4の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。レンズアレイプレート1100および光誘導プレート120のほかに、集束太陽光誘導モジュールは、さらに集光レンズ160を備える。本開示の第4の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集光レンズ160は、第1の側面12とエネルギー変換装置140’との間に配置され、その結果、エネルギー変換装置140’に入る前に、太陽光線180はまず集光レンズ160を通過し、光誘導プレート120を通過する太陽光線180の集光範囲を一層狭め、これによって、エネルギー変換装置140’の使用および占有面積を節約して小型化した設計を達成する。
Fourth embodiment:
FIG. 2B is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a fourth embodiment of the present disclosure. In addition to the
第5の実施形態:
図3Aは、本開示の第5の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図であり、図3Bは、図3Aの側面図である。図3Cは、図3Bの部分拡大図である。以下の説明には図3Aから図3Cを参照のこと。
Fifth embodiment:
FIG. 3A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a fifth embodiment of the present disclosure, and FIG. 3B is a side view of FIG. 3A. FIG. 3C is a partially enlarged view of FIG. 3B. See FIGS. 3A-3C for the following discussion.
集束太陽光誘導モジュール2000は、レンズアレイプレート1100および光誘導プレート120を備える。光誘導プレート120は、2つの異なる側面、つまり第1の側面12および第2の側面12aを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置140を有する。集束太陽光誘導モジュール2000は、太陽光線180を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置140に誘導するのに適しており、太陽光線180は、理想の平行光線とみなされる。
The focused
レンズアレイプレート1100は、太陽光線180を受光し、集束する。レンズアレイプレート1100は、少なくとも1つのレンズ110、光誘導プレート120を備え、光誘導プレートは上方平坦面120aおよび下方微細構造面120bを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第1の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図3Cに示すような本開示の第5の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズ110を通過する太陽光線180の焦点は、凹点130aの上方に位置する。特に、太陽光線180がレンズアレイプレート1100によって集束された後、太陽光線180の焦点は、凹点130aの上方に位置する。次に、集束された太陽光線180は、第1の傾斜平面130bおよび第2の傾斜平面130cで反射し、凹点130aの異なる側に進む。この実施形態では、レンズアレイプレート1100の焦点は、凹点130aの上方に位置しているが、レンズアレイプレート1100の焦点は、凹点130aに位置していてもよいし、凹点130aの下方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
The
次に、太陽光線180は、接続領域132で反射し、その結果、光線はより大きい角度で屈折する。太陽光線180は、光誘導プレート120の上方平坦面120aと下方微細構造面120bとの間で全内反射する。そのため、太陽光線180は、光誘導プレート120の第1の側面12と第2の側面12aとの両方に向かって誘導される。そのため、太陽光線180は、最終的に、凹点130aの2つの異なる側に向かって進み、光誘導プレート120の第1の側面12および第2の側面12aを通過する。第1の傾斜平面130bは、第1の側面12の方を向き、第2の傾斜平面130cは、第2の側面12aの方を向いている。最後に、第1の側面12および第2の側面12aに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置140は、光誘導プレート120を通過する太陽光線180を受光し、これに応じて、太陽光線180を電力に変換することができる。
Next, the sun rays 180 are reflected at the
第6の実施形態:
図4Aは、本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図4Bは、図4Aの側面図である。図4Cは、図4Bの部分拡大図である。以下の説明には図4Aから図4Cを参照のこと。
Sixth embodiment:
FIG. 4A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a sixth embodiment of the present disclosure. FIG. 4B is a side view of FIG. 4A. FIG. 4C is a partially enlarged view of FIG. 4B. See FIGS. 4A-4C for the following discussion.
集束太陽光誘導モジュール3000は、光誘導プレート210およびレンズアレイプレート2200を備える。エネルギー変換装置240が、光誘導プレート210の第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置される。エネルギー変換装置240は、光電変換装置または熱電変換装置とすることができるが、これに限定されない。集束太陽光誘導モジュール3000は、太陽光線280を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置240に誘導するのに適しており、太陽光線280は、理想の平行光線とみなされる。
The focused
光誘導プレート210は、上方微細構造面210aおよび下方平坦面210bを有する。光誘導プレート210の厚みh’は、上方微細構造面210aと下方平坦面210bとの間の距離である。上方微細構造面210aは、少なくとも1つの凹領域230および少なくとも1つの接続領域232を備える。接続領域232は、光誘導プレート210の下方平坦面210bに平行であり、接続領域232は、互いに隣接する凹領域230の間に接続される。つまり、本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、凹領域230は、互いに離れており(つまり、連続しておらず)、上方微細構造面210a上に配置される。2つの凹領域230ごとに、接続領域232によって互いに隔てられている。そのため、光誘導プレート210の上方微細構造面210aは、連続していない凹領域230を有する。
The
図4Cを見ると、凹領域230は、凹点230a、第1の傾斜平面230b、および第2の傾斜平面230cを備えている。第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230cは、それぞれ凹点230aの異なる側に位置する。両傾斜平面は、それぞれ凹点230aおよびこれに隣接する接続領域232との間に接続されている。第1の傾斜平面230bは、第1の側面12の方を向いている。そのため、凹領域230の形状は、実質的にVカットであり、凹点230aおよびすぐ傍の2つの斜面(第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230c)を有する。凹点230aは、接続領域232に対して垂直な垂直線を形成する。第1の傾斜平面230bと接続領域232の垂直線との間の夾角(すなわち、第1の夾角)は、θ1’である。第2の傾斜平面230cと接続領域232の垂直線との間の夾角(すなわち、第2の夾角)は、θ2’である。垂直線と傾斜平面230bおよびおよび230cの隣接する接続領域232との間で、接続領域232の延長部分の長さは、それぞれd1’およびd2’である。
Referring to FIG. 4C, the recessed
本開示の第6の実施形態によれば、夾角θ1’およびθ2’のいずれも、15°から60°までの間である。レンズ220の上方平坦面220aの長さW’は、長さd1’とd2’の和の2倍以上、つまりW’≧2(d1’+d2’)である。
According to the sixth embodiment of the present disclosure, both the depression angles θ 1 ′ and θ 2 ′ are between 15 ° and 60 °. The length W ′ of the upper
図4Aおよび図4Bを見ると、レンズアレイプレート2200は、少なくとも1つのレンズ220を備え、各レンズ220は、上方平坦面220aおよび下方湾曲面220bを有する。例えば、レンズアレイプレート2200は、ロールツーロール(R2R)方式を使用して作製されたレンチキュラーレンズアレイフィルムとすることができるが、これに限定されない。1つのレンズ220の上方平坦面220aの長さは、W’である。一実施形態では、各レンズ220は、半球筒状レンズである。上方平坦面220aは、互いに接続され、下方湾曲面220bは、互いに接続されている。レンズ220は、平行に配列されてレンズアレイプレート2200を形成する。
4A and 4B, the
下方湾曲面220bは、反射層281で被覆されている。そのため、太陽光線280は、反射層281で反射して集束され、光誘導プレート210に進むことができる。反射層281は、金属、全反射多層、白色反射体などの反射材料で作製されることができる。
The downward
レンズ220の上方平坦面220aは、光誘導プレート210の下方平坦面210bに平行になるように構成される。本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、以下の説明は、レンズ220の上方平坦面220aが光誘導プレート210の下方平坦面210bに平行であり、かつこれと密に接していることに基づいている。しかしながら、レンズ220の上方平坦面220aは、光誘導プレート210の下方平坦面210bとの間に間隙があって離れて固定され、かつこれと平行であってもよい。レンズ220の上方平坦面220aと光誘導プレート210の下方平坦面210bとの間の接続関係は、本開示の範囲を限定するためのものではない。
The upper
光誘導プレート210を通過した後、太陽光線280は、レンズアレイプレート2200のレンズ220の下方湾曲面220bで反射して集束され、光誘導プレート210の上方微細構造面210aまで進む。次に、太陽光線280は、凹領域230および接続領域232に続けて2回反射し、全内反射によって光誘導プレート210の中へ誘導される。最後に、太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12を通過する。エネルギー変換装置240は、第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置され、太陽光線280を受光し、この太陽光線280を電力に変換する。特に、図4Bおよび図4Cを見ると、レンズ220で反射し集束される太陽光線280の焦点は、第1の傾斜平面230bの下方に位置している。太陽光線280が光誘導プレート210を通過し、レンズアレイプレート2200に入った後、太陽光線280は、反射層281を施された下方湾曲面220bで反射し、その後、凹領域230の第1の傾斜平面230bの下方に集束される。次に、集束された太陽光線280は、まず凹領域230の第1の傾斜平面230bの上に照射され、第1の傾斜平面230bで反射し(これによって第1の反射を形成し)、隣接する接続領域232上へ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート2200の焦点は、第1の傾斜平面230bの下方に位置しているが、レンズアレイプレート2200の焦点は、第1の傾斜平面230bに位置していてもよいし、第1の傾斜平面230bの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
After passing through the
次に、太陽光線280は、接続領域232で反射し(これによって第2の反射を形成し)、その結果、太陽光線280は、より大きい角度で屈折する。次に、太陽光線280は、光誘導プレート210の上方微細構造面210aと下方平坦面210bとの間で反射し、その結果、太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12に向かって誘導される。そのため、太陽光線280は、最終的に光誘導プレート210の第1の側面12を通過する。第1の側面12に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置240は、第1の側面12を通過する太陽光線280を受光でき、これに応じて、この太陽光線280を電力に変換できる。光誘導プレート210の屈折率を、nc’と表記する。太陽光線280が接続領域232に入射して2回目の反射をする(第2の反射)とき、太陽光線280の入射角は、光誘導プレート210と空気との間の臨界角
よりも大きくなければならず、この臨界角は、光が全反射して、光誘導プレート210内を行ったり来たりして反射するために十分なものである。
Next, the sun rays 280 are reflected at the connection region 232 (and thereby form a second reflection), so that the sun rays 280 are refracted at a larger angle. Next, the
This critical angle is sufficient for the light to be totally reflected and reflected back and forth within the
本開示の第6の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、光誘導プレート210の厚みh’およびレンズ220の上方平坦面220aの長さW’は、h’≧W’の関係にある。その上、レンズアレイプレート2200がN個のレンズ220を有する場合、h’、W’、およびNは、N×W’≦50×h’の関係にある。例えば、N、W’、およびh’を、それぞれ70個、3mm、および10mmに設計する。
In the focused sunlight guiding module according to the sixth embodiment of the present disclosure, the thickness h ′ of the
太陽光線280を光誘導プレート210の中へ誘導できるように、レンズアレイプレート2200の屈折率nl’は、光誘導プレート210の屈折率nc’よりも小さくなっている。
The refractive index n l ′ of the
第7の実施形態:
図4Dは、本開示の第7の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。集束太陽光誘導モジュールは、光誘導プレート210、レンズアレイプレート2200、およびインターフェース層150を備える。インターフェース層150は、光誘導プレート210とレンズアレイプレート2200(レンズ220)との間に配置されている。太陽光線280を光誘導プレート210の中へ誘導できるように、インターフェース層150の屈折率ni’は、光誘導プレート210の屈折率nc’よりも小さく、インターフェース層150の屈折率ni’は、同じくレンズアレイプレート2200の屈折率nl’よりも小さくなっている。
Seventh embodiment:
FIG. 4D is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a seventh embodiment of the present disclosure. The focused sunlight guiding module includes a
第8の実施形態:
図5Aは、本開示の第8の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。図5Bは、図5Aの側面図である。図5Cは、図5Bの部分拡大図である。以下の説明には図5Aから図5Cを参照のこと。
Eighth embodiment:
FIG. 5A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to an eighth embodiment of the present disclosure. FIG. 5B is a side view of FIG. 5A. FIG. 5C is a partially enlarged view of FIG. 5B. See FIGS. 5A-5C for the following discussion.
集束太陽光誘導モジュール4000は、光誘導プレート210およびレンズアレイプレート2200を備える。光誘導プレート210は、2つの異なる側面、つまり第1の側面12および第2の側面12aを有し、それぞれの側面は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されるエネルギー変換装置240を有する。集束太陽光誘導モジュール4000は、太陽光線280を光電変換または熱電変換するためのエネルギー変換装置240に誘導するのに適しており、太陽光線280は、理想の平行光線とみなされる。
The focused
レンズアレイプレート2200は、少なくとも1つのレンズ220および光誘導プレート210を備え、光誘導プレートは、上方微細構造面210aおよび下方平坦面210bを有する。すべての素子の構成および微細構造の設計は、本開示の第6の実施形態のものと同じであるため、ここでは繰り返し記載しない。図5Cに示すような本開示の第8の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、レンズアレイプレート2200で反射し集束された太陽光線280の焦点は、凹点230aの下方に位置する。反射層281で反射し集束された太陽光線280の焦点は、凹点230aの下方に配置される。そのため、集束された太陽光線280は、凹点230aの2つの異なる側の斜面に向かってそれぞれ進み、そこで凹領域230の第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230cの上に照射され、第1の傾斜平面230bおよび第2の傾斜平面230cで反射して、この傾斜平面に隣接する接続領域232にそれぞれ進む。この実施形態では、レンズアレイプレート2200の焦点は、凹点230aの下方に位置しているが、レンズアレイプレート2200の焦点は、凹点230aに位置していてもよいし、凹点230aの上方に位置していてもよい。本開示は、これに限定されない。
The
次に、太陽光線280は、接続領域232で反射し、その結果、光はより大きい角度で屈折する。太陽光線280は、光誘導プレート210の上方微細構造面210aと下方平坦面210bとの間で全内反射する。そのため、太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12と第2の側面12aとの両方に向かって誘導される。太陽光線280は、光誘導プレート210の第1の側面12および第2の側面12aを通過する。第1の傾斜平面230bは、第1の側面12の方を向き、第2の傾斜平面230cは、第2の側面12aの方を向いている。最後に、第1の側面12および第2の側面12aに接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置240は、光誘導プレート220を通過する太陽光線280を受光し、これに応じて、太陽光線280を電力に変換することができる。
Next, the sun rays 280 are reflected at the
第9の実施形態:Ninth embodiment:
図6Aは、第9の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。以下の説明には図1Bおよび図6Aを一緒に参照されたい。 FIG. 6A is a schematic diagram of a focused solar light induction module according to a ninth embodiment. Please refer to FIG. 1B and FIG. 6A together in the following description.
集束太陽光誘導モジュール5000の構造は、集束太陽光誘導モジュール1000の構造とほぼ同じである。集束太陽光誘導モジュール5000と集束太陽光誘導モジュール1000との相違点は、集束太陽光誘導モジュール1000のレンズアレイプレート1100および光誘導プレート120が、図6Aでは1つの部品に一体化されている、つまり、レンズ光誘導プレートと呼ぶものになっている点である。そのため、集束太陽光誘導モジュール5000は、レンズ光誘導プレート320を備える。レンズ光誘導プレート320は、レンズアレイ302および複数の微細構造330を有する。レンズアレイ302および微細構造330は、レンズ光誘導プレート320の2つの異なる反対側の面に配置される。この実施形態では、レンズアレイ302は、レンズ光誘導プレート320の上面510に配置され、微細構造330は、レンズ光誘導プレート320の下面520に配置され、上面510および下面520は、互いに対面している。The structure of the focused sunlight induction module 5000 is substantially the same as that of the focused
レンズアレイ302は、少なくとも1つのレンズ310を有する。各レンズ310は、湾曲面310aを有する。レンズアレイ302は、太陽光線180を受光し、集束する。微細構造330は、複数の凹領域332および複数の接続領域334を有する(図6Aの微細構造の部分拡大図である図6Bを参照)。凹領域332および接続領域334の設計は、本開示の第1の実施形態および第5の実施形態に示した下方微細構造面120bの凹領域130および接続領域132と同じである。そのため、ここでは再度繰り返さない。The
このほか、凹領域332とレンズ310の焦点との相対位置は、図1Cおよび図3Cに示すものと同じにすることができる。そのため、太陽光線180は、反射し、レンズ光誘導プレート320の1つの側面または2つの異なる側面に誘導されることができる。In addition, the relative position between the
第10の実施形態:Tenth embodiment:
図7Aは、第10の実施形態による集束太陽光誘導モジュールの概略図である。以下の説明には図4Bおよび図7Aを一緒に参照されたい。 FIG. 7A is a schematic view of a focused solar light induction module according to the tenth embodiment. Please refer to FIG. 4B and FIG. 7A together in the following description.
集束太陽光誘導モジュール6000の構造は、集束太陽光誘導モジュール3000の構造とほぼ同じである。集束太陽光誘導モジュール6000と集束太陽光誘導モジュール3000との相違点は、集束太陽光誘導モジュール3000のレンズアレイプレート2200および光誘導プレート120が、1つの部品に一体化されている、つまり、レンズ光誘導プレートと呼ぶものになっている点である。そのため、集束太陽光誘導モジュール6000は、レンズ光誘導プレート420を備える。レンズ光誘導プレート420は、レンズアレイ402および複数の微細構造430を有する。レンズアレイ402および微細構造430は、レンズ光誘導プレート420の2つの異なる反対側の面に配置される。この実施形態では、微細構造430は、レンズ光誘導プレート420の上面710に配置され、レンズアレイ402は、レンズ光誘導プレート420の下面720に配置され、上面710および下面720は、互いに対面している。 The structure of the focused
レンズアレイ402は、少なくとも1つのレンズ410を有する。各レンズ410は、湾曲面410aを有する。レンズアレイ402は、太陽光線280を受光し、集束する。湾曲面410aは、反射層281で被覆される。そのため、太陽光線280は、反射層281で反射し、レンズ光誘導プレート420の微細構造430に集束されることができる。微細構造430は、複数の凹領域432および複数の接続領域434を有する(図7Aの微細構造の部分拡大図である図7Bを参照)。凹領域432および接続領域434の設計は、本開示の第6の実施形態および第8の実施形態に示した上方微細構造面210aの凹領域230および接続領域232と同じである。そのため、ここでは再度繰り返さない。The
このほか、凹領域432とレンズ410の焦点との相対位置は、図4Cおよび図5Cに示すものと同じにすることができる。そのため、太陽光線280は、反射し、レンズ光誘導プレート420の1つの側面または2つの異なる側面に誘導されることができる。In addition, the relative position between the
以上の観点から、本開示の任意の実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、集束太陽光誘導モジュールのレンズを、図2Aに示すような断面輪郭が湾曲した鋸歯状であるレンズに置換して、誘導された光の強度を増大させることができる。このようにする代わりに、図2Bに示すように、集光レンズ160を、光誘導プレートの第1の側面12とエネルギー変換装置140’との間に配置し、第1の側面12から出る太陽光線の集光範囲を一層狭めるようにする。そうすると、エネルギー変換装置140’の占有面積もさらに減らすことができる。当業者であれば、本開示の任意の実施形態に照らし合わせて太陽光線誘導モジュールの詳細部を設計できるであろう。上記の実施形態は、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
In view of the above, in the focused solar light induction module according to any embodiment of the present disclosure, the lens of the focused solar light induction module is replaced with a lens having a sawtooth shape with a curved cross-sectional profile as illustrated in FIG. The intensity of the guided light can be increased. Instead, as shown in FIG. 2B, a condensing
さらに、図8Aは、図1Dの概略図である。レンチキュラーレンズ110の軸方向は、太陽が昇り沈みする方向EWと表記した東西方向に平行となるように構成される。図8Bおよび図8Cは、図8Aによる光誘導の標準的な効率をシミュレーションした結果である。シミュレーションのパラメータは、以下の通りである:
R(レンチキュラーレンズの曲率半径)=4.09mm
nl=1.56
ni=1.00
nc=1.49
h=10mm
W=3.46mm
N×W=210mm
θ1=40°
θ2=20°
d1=0.302mm
d2=0.131mm
Furthermore, Figure 8 A is a schematic diagram of FIG. 1D. The axial direction of the
R (the radius of curvature of the lenticular lens) = 4.09 mm
n l = 1.56
n i = 1.00
n c = 1.49
h = 10mm
W = 3.46mm
N × W = 210mm
θ 1 = 40 °
θ 2 = 20 °
d 1 = 0.302 mm
d 2 = 0.131 mm
正午に太陽光線180は、正常な角度(すなわち入射角0°)で集束太陽光誘導モジュールに入射し、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導をシミュレーションした効率は、およそ60%である。
At noon, the
太陽光線180の入射角が±30度の間であるとき(つまり、日中の午前10:00から午後2:00)、本開示による集束太陽光誘導モジュールの光誘導の標準的な効率は、55%を上回ることができる。レンチキュラーレンズ110の軸方向は、東西方向に平行であるため、日中に太陽が昇り沈みすることによって起きる入射角の変化は起こりにくい。したがって、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールは、正午前後に太陽を追尾するシステムを装備しなくとも、依然として55%を上回る光誘導の相対効率を達成することができる。
When the incident angle of the
図8Cに示すように、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールの季節による角度変化は、最大で±1度とすることができる。したがって、光誘導モジュールの季節変化に対する角度変化の感度を低減するようになっている場合は、本実施形態による集束太陽光誘導モジュールでは、図8Dに示すように、レンズアレイプレートも南北方向に動かすことができる(つまり、レンズアレイプレートは、可動式レンズのアレイとなるように設計される)。季節の変動要素が太陽光線180の入射角を変化させるため、レンズアレイプレートは、南北方向に動き、集束された太陽光線180も光誘導プレート120の凹領域130の近傍に落ちることができ、これによって、季節ごとの太陽を追尾する光誘導効果を達成する。
As shown in FIG. 8 C, the angle change due to seasonal focusing sunlight induced module of this embodiment can be a ± 1 ° at maximum. Therefore, if it is to reduce the sensitivity of the angular change to seasonal changes photoinduced module, in focusing sunlight induced module according to the present embodiment, as shown in FIG. 8 D, the lens array plate in north-south direction Can be moved (ie, the lens array plate is designed to be an array of movable lenses). Since the seasonal variation element changes the incident angle of the
このほか、レンチキュラーレンズ110の軸方向が、図8Aに示すように、方向EWと表記した東西方向に平行となるように構成されるとき、東西方向を向いている光誘導プレート120の側面を反射層121(金属、全反射多層および白色反射体など)で被覆して、表面から光線が漏れる問題を解消する。
In addition, the axial direction of the
上記の観点から、本開示による集束太陽光誘導モジュールでは、入射する太陽光線は、レンズアレイプレートによって集束され、光誘導プレートの表面上の微細構造で反射し、光誘導プレートの中へ誘導されることができる。光誘導プレートの側面を通過した後、太陽光線は、この側面に接してまたはこの近傍に配置されたエネルギー変換装置によって受光され、電力に変換される。したがって、本開示による集束太陽光誘導モジュールは、太陽電池の使用を軽減し、モジュールコストを削減し、太陽追尾システムなしに光誘導の高効率を維持する。 In view of the above, in the focused solar light induction module according to the present disclosure, the incident solar light is focused by the lens array plate, reflected by the fine structure on the surface of the light guide plate, and guided into the light guide plate. be able to. After passing through the side surface of the light guide plate, the sunlight is received by an energy conversion device disposed in contact with or near the side surface and converted into electric power. Thus, a focused solar induction module according to the present disclosure reduces the use of solar cells, reduces module costs, and maintains high efficiency of light induction without a solar tracking system.
上記のような本開示によれば、レンズアレイプレートおよび光誘導プレートを備える集束太陽光誘導モジュールは、レンズアレイプレートで太陽光線を小さな領域に集め、太陽光線を微細構造で反射させ、その後、太陽光線を全内反射によって光誘導プレートの中へ誘導する。本発明が提供するモジュールの場合、光電変換または熱電変換によるエネルギー変換装置を、光誘導プレートの側面に配置する必要があり、光誘導プレートの側面を通過する太陽光線を電力に変換することができる。このようにすると、太陽電池の使用および発電コストを大幅に削減することができる。According to the present disclosure as described above, a focused solar light induction module including a lens array plate and a light guide plate collects sunlight rays in a small area with the lens array plate, reflects the sunlight rays with a fine structure, and then The light is guided into the light guide plate by total internal reflection. In the case of the module provided by the present invention, it is necessary to arrange an energy conversion device by photoelectric conversion or thermoelectric conversion on the side surface of the light guide plate, and it is possible to convert sunlight rays passing through the side surface of the light guide plate into electric power. . If it does in this way, use of a solar cell and power generation cost can be reduced significantly.
Claims (26)
各々が上方湾曲面および下方平坦面を有して前記太陽光線を受光し集束する少なくとも1つのレンズを有するレンズアレイプレートと、
上方平坦面および下方微細構造面を有する光誘導プレートであって、前記上方平坦面は前記レンズアレイプレートの下方平坦面と平行であり、前記下方微細構造面は少なくとも1つの接続領域および少なくとも1つの凹領域を有し、前記接続領域は、当該光誘導プレートの上方平坦面に平行であるとともに、互いに隣接する前記凹領域の間を接続し、前記凹領域は、凹点と、当該凹点の異なる側にそれぞれ位置し且つ当該凹点と当該凹点に隣接する前記接続領域との間をそれぞれ接続する第1の傾斜平面および第2の傾斜平面と、を有する光誘導プレートと、
を備え、
前記太陽光線は、
前記レンズアレイプレートによって集束された後、
前記光誘導プレートの下方微細構造面の凹領域と接続領域とに続けて2回反射され、全内反射によって当該光誘導プレートの中へ誘導され、
前記光誘導プレートの少なくとも1つの側面を通過し、
当該側面上または当該側面近傍に配置された前記エネルギー変換装置に受光されて、電力に変換される
ことを特徴とする集束太陽光誘導モジュール。 A focused solar light induction module that is applied to direct solar energy to an energy conversion device,
A lens array plate having at least one lens, each having an upper curved surface and a lower flat surface, for receiving and focusing the sunlight.
A light guide plate having an upper flat surface and a lower microstructure surface, the upper flat surface being parallel to the lower flat surface of the lens array plate, wherein the lower microstructure surface is at least one connection region and at least one A concave region, and the connection region is parallel to the upper flat surface of the light guide plate and connects between the concave regions adjacent to each other. A light guide plate having a first inclined plane and a second inclined plane that are respectively located on different sides and connect between the concave point and the connection region adjacent to the concave point, and
With
The sun rays are
After being focused by the lens array plate,
Reflected twice following the concave area and connection area of the lower microstructured surface of the light guide plate, guided into the light guide plate by total internal reflection,
Pass through at least one side of the light guide plate;
The focused sunlight induction module, wherein the energy conversion device disposed on or in the vicinity of the side surface receives the light and converts it into electric power.
上方微細構造面および下方平坦面を有する光誘導プレートであって、前記上方微細構造面は少なくとも1つの接続領域および少なくとも1つの凹領域を有し、前記接続領域は、当該光誘導プレートの下方平坦面に平行であるとともに、互いに隣接する前記凹領域の間を接続し、前記凹領域は、凹点と、当該凹点の異なる側にそれぞれ位置し且つ当該凹点に隣接する前記接続領域との間をそれぞれ接続する第1の傾斜平面および第2の傾斜平面と、を有する光誘導プレートと、
各々が上方平坦面および下方湾曲面を有し、前記上方平坦面が前記光誘導プレートの前記下方平坦面と平行であるレンズアレイプレートと、
を備え、
前記太陽光線は、
前記光誘導プレートを通過して前記下方湾曲面で反射された後、
前記光誘導プレートの上方微細構造面の凹領域と接続領域とに続けて2回反射され、全内反射によって当該光誘導プレートの中へ誘導され、
前記光誘導プレートの少なくとも1つの側面を通過し、
当該側面上または当該側面近傍に配置された前記エネルギー変換装置に受光されて、電力に変換される
ことを特徴とする集束太陽光誘導モジュール。 A focused solar light induction module that is applied to direct solar energy to an energy conversion device,
A light guide plate having an upper microstructured surface and a lower flat surface, the upper microstructured surface having at least one connection region and at least one recessed region, the connection region being a lower flat surface of the light guide plate The concave regions that are parallel to the surface and adjacent to each other are connected to each other, and the concave regions are located between the concave points and the connection regions that are located on different sides of the concave points and are adjacent to the concave points, respectively. A light guide plate having a first inclined plane and a second inclined plane that connect each other,
A lens array plate each having an upper flat surface and a lower curved surface, wherein the upper flat surface is parallel to the lower flat surface of the light guide plate;
With
The sun rays are
After passing through the light guide plate and being reflected by the downward curved surface,
Reflected twice following the concave area and connection area of the upper microstructured surface of the light guide plate, guided into the light guide plate by total internal reflection,
Pass through at least one side of the light guide plate;
The focused sunlight induction module, wherein the energy conversion device disposed on or in the vicinity of the side surface receives the light and converts it into electric power.
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